[논문 리뷰] Joint Sub-carrier and Power Allocation for Efficient Communication of Cellular UAVs

Hamed Hellaoui, Miloud Bagaa외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 03.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 20인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 무인 항공기(UAV)를 지원하는 셀룰러 네트워크에서 공동 서브채널 및 전력 할당을 위한 게임 이론적 접근법을 제안하며, 서비스 품질(QoS) 향상을 목표로 한다. 서브채널 할당에서 UAV와 지상 사용자를 분리하기 위해 매칭 게임을 사용하고, 동적 협동군 형성을 통해 QoS를 향상시키기 위해 연합 게임을 도입하며, 양 단계에 전력 최적화를 통합하여 간섭 관리 및 스펙트럼 효율성 측면에서 뚜렷한 성능 향상을 달성한다.

ABSTRACT

Cellular networks are expected to be the main communication infrastructure to support the expanding applications of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). As these networks are deployed to serve ground User Equipment (UES), several issues need to be addressed to enhance cellular UAVs'services.In this paper, we propose a realistic communication model on the downlink,and we show that the Quality of Service (QoS)for the users is affected by the number of interfering BSs and the impact they cause. The joint problem of sub-carrier and power allocation is therefore addressed. Given its complexity, which is known to be NP-hard, we introduce a solution based on game theory. First, we argue that separating between UAVs and UEs in terms of the assigned sub-carriers reduces the interference impact on the users. This is materialized through a matching game. Moreover, in order to boost the partition, we propose a coalitional game that considers the outcome of the first one and enables users to change their coalitions and enhance their QoS. Furthermore, a power optimization solution is introduced, which is considered in the two games. Performance evaluations are conducted, and the obtained results demonstrate the effectiveness of the propositions.

연구 동기 및 목표

• UAV를 지원하는 셀룰러 네트워크에서 다수의 간섭 기지국으로 인해 QoS가 악화되는 간섭 문제를 해결하기 위해.
• 다운링크 셀룰러 환경에서 UAV 및 지상 사용자에 대한 서브채널 및 전력 할당을 공동 최적화하기 위해.
• 매칭 게임을 통해 서브채널 할당에서 UAV와 지상 사용자를 분리함으로써 간섭 영향을 줄이기 위해.
• 연합 게임 프레임워크를 활용한 동적 협동군 재조직을 통해 QoS를 향상시키기 위해.
• 스펙트럼 효율성 및 공정성을 향상시키기 위해 양 게임 이론적 단계에 전력 최적화를 통합하기 위해.

제안 방법

• 서브채널을 UAV와 지상 사용자에게 별도로 할당하기 위해 매칭 게임을 설계하여 동일 대역폭 할당을 방지함으로써 간섭을 최소화한다.
• 사용자가 QoS 향상에 따라 협동군으로 재조직할 수 있도록 연합 게임을 도입하여 전체 시스템 성능을 향상시킨다.
• 서브채널 할당과 함께 전력 할당을 공동 최적화하며, 스펙트럼 효율성과 공정성을 반영한 유틸리티 함수를 사용한다.
• 반복적인 사용자 재할당 및 전력 조정을 통해 안정된 상태로 수렴하는 게임 이론적 프레임워크를 확보한다.
• 실시간 셀룰러 UAV 네트워크 구현을 고려해 확장성과 실용성을 갖춘 솔루션을 설계한다.
• 핵심 구성 요소로 QoS를 위한 유틸리티 함수, 간섭 모델링, 수익 증가 기반의 협동군 안정성 기준이 포함된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 셀룰러 다운링크 환경에서 UAV와 지상 사용자 간의 간섭을 최소화하기 위해 서브채널 할당을 어떻게 최적화할 수 있는가?
• RQ2 UAV와 지상 사용자 간의 서브채널 할당을 분리함으로써 전체 QoS 및 스펙트럼 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 다중 사용자 셀룰러 UAV 환경에서 사용자 간의 동적 협동군 형성이 QoS 향상에 어떤 기여를 하는가?
• RQ4 서브채널 할당과 결합된 공동 전력 할당이 시스템 성능 향상에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 게임 이론적 접근법이 실시간 UAV 통신에 적합한 낮은 복잡도를 유지하면서 수렴성과 안정성을 확보할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 매칭 게임은 서브채널 할당에서 UAV와 지상 사용자를 분리함으로써 상호 사용자 간섭을 크게 감소시킨다.
• 연합 게임은 사용자가 더 높은 성능의 협동군으로 재조직되도록 허용하여 평균 QoS 및 스펙트럼 효율성을 향상시킨다.
• 서브채널 및 전력 할당을 공동 최적화함으로써 기존 할당 방식 대비 스펙트럼 효율성이 25% 향상된다.
• 게임 이론적 프레임워크에서 안정적인 수렴을 달성하여 실용적인 구현 가능성을 확보한다.
• 성능 평가 결과, 높은 UAV 밀도 조건에서 제안된 방법이 기준 대비 공정성 및 Throughput 측면에서 뛰어난 성능을 보인다.
• 전력 최적화 통합으로 고속 이동 UAV의 시스템 용량 증가 및 장애 발생 확률 감소 효과가 있다.